包廣清， 任士康， 王曉蘭， 楊新華

(蘭州理工大學(xué) 電氣工程與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

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一種基于車(chē)載逆變電源的低成本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

包廣清， 任士康， 王曉蘭， 楊新華

(蘭州理工大學(xué) 電氣工程與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

針對(duì)電氣、自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生運(yùn)動(dòng)控制課程群的工程應(yīng)用性強(qiáng)的突出特點(diǎn)，提出一種適用于本科電力電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)的低成本車(chē)載逆變電源系統(tǒng)，主電路采用兩級(jí)式級(jí)聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)推挽升壓電路后再進(jìn)行全橋逆變，大大降低了系統(tǒng)硬件電路的體積及噪聲污染。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步拓展試驗(yàn)內(nèi)容，將該電源系統(tǒng)引入單相交流電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制綜合訓(xùn)練任務(wù)，在豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的同時(shí)，有效提升了學(xué)生的專業(yè)綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力。

電力電子技術(shù)； 運(yùn)動(dòng)控制； 逆變電源； 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

0 引 言

電力電子技術(shù)是電氣、自動(dòng)化本科專業(yè)運(yùn)動(dòng)控制課程群的重要課程之一，其教學(xué)目的是在學(xué)生了解電力電子器件和熟悉變流技術(shù)的基礎(chǔ)上，提高學(xué)生的實(shí)際設(shè)計(jì)與工程應(yīng)用能力[1-3]。

電力電子技術(shù)實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目的選擇既要與課堂理論教學(xué)內(nèi)容相互協(xié)調(diào)，又要有相對(duì)的獨(dú)立性。原則上，其實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置包括：① 以基本測(cè)試技能和基本電路知識(shí)訓(xùn)練為主的基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)；② 驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)鞏固學(xué)生對(duì)功率變換單元電路的原理驗(yàn)證和難點(diǎn)理解，從而實(shí)現(xiàn)從感性認(rèn)識(shí)到理性認(rèn)識(shí)的轉(zhuǎn)變，并最終建立完整的電力電子知識(shí)體系[4]；③ 綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，通過(guò)提出問(wèn)題、查閱資料、方案對(duì)比、任務(wù)分配、設(shè)計(jì)實(shí)施以及分析總結(jié)等環(huán)節(jié)，使學(xué)生的綜合分析、運(yùn)行測(cè)試以及基于團(tuán)隊(duì)協(xié)作的應(yīng)用系統(tǒng)研發(fā)等綜合實(shí)踐能力能得到充分鍛煉和提升。

汽車(chē)已由最初的代步工具逐漸發(fā)展為集辦公娛樂(lè)為一體的交通工具，除了常見(jiàn)的車(chē)載DVD音響系統(tǒng)外，對(duì)車(chē)載電視、冰箱、筆記本電腦等電器產(chǎn)品也有廣泛需求，而這些電器產(chǎn)品大部分需要220 V/50 Hz的正弦交流電供電，因此設(shè)計(jì)性價(jià)比高的車(chē)載逆變電源，將汽車(chē)12 V的直流電轉(zhuǎn)換成220 V/50 Hz的交流電具有十分重要的實(shí)際意義[5-7]。

1 工作原理與設(shè)計(jì)方案

1.1 主要技術(shù)指標(biāo)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求將12 V的車(chē)載蓄電池電壓轉(zhuǎn)換成220 V/50 Hz的正弦交流電，以滿足常見(jiàn)車(chē)載電器產(chǎn)品的用電需求[8]。系統(tǒng)輸入直流電壓的允許變化范圍10～15 V；輸出交流電壓的允許變化范圍210～230 V；輸出電壓頻率的允許變化范圍49.8～50.2 Hz；轉(zhuǎn)換效率大于80%；波形畸變率≤5%；直流母線電壓的閾值電壓400 V；前級(jí)升壓電路開(kāi)關(guān)器件的工作頻率30 kHz；高頻變壓器的工作頻率60 kHz；后級(jí)逆變電路開(kāi)關(guān)器件的工作頻率16 kHz。

1.2 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)車(chē)載逆變電源采用全橋逆變與工頻變壓器升壓方案，其缺點(diǎn)是效率低、體積大、噪聲高，且伴有嚴(yán)重的啟動(dòng)困難等問(wèn)題。為此本系統(tǒng)采用兩級(jí)式級(jí)聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將12 V蓄電池電壓升壓后再進(jìn)行逆變輸出，大大減小了系統(tǒng)硬件電路的體積及噪聲污染，其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)框圖

前級(jí)升壓電路以TL494為主控芯片，對(duì)推挽電路進(jìn)行控制，結(jié)合PC817與TL431組成的直流母線電壓反饋控制電路[9]，確保母線電壓在設(shè)定變化范圍內(nèi)。后級(jí)逆變電路以單片機(jī)STC12C5A60S2為主控芯片，采用正弦脈寬調(diào)制技術(shù)[10-12]，根據(jù)輸出電壓實(shí)時(shí)更新占空比，確保輸出電壓幅值滿足設(shè)定要求。同時(shí)還設(shè)計(jì)了電池電壓檢測(cè)電路、輸出電壓檢測(cè)電路、輸出電流檢測(cè)電路和橋臂短路保護(hù)電路，確保系統(tǒng)能夠安全穩(wěn)定運(yùn)行[13-15]。

2 系統(tǒng)運(yùn)行與測(cè)試

將兩路12 V/1 A的開(kāi)關(guān)電源并聯(lián)后作為系統(tǒng)輸入電源，在現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)系統(tǒng)的性能指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試。實(shí)驗(yàn)調(diào)試現(xiàn)場(chǎng)如圖2所示。從示波器的輸出可以看出，該逆變電源運(yùn)行穩(wěn)定，輸出波形良好；在空載情況下，萬(wàn)用表測(cè)量值為229 V，由此看出，該逆變電源的輸出電壓指標(biāo)符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。在輸出端接10 kΩ純阻性負(fù)載的運(yùn)行狀況下，對(duì)前級(jí)推挽升壓電路及后級(jí)全橋逆變電路各關(guān)鍵工作點(diǎn)的波形進(jìn)行了測(cè)試分析。并對(duì)該逆變電源的效率、諧波含量等性能指標(biāo)進(jìn)行了評(píng)價(jià)總結(jié)。

圖2 樣機(jī)調(diào)試現(xiàn)場(chǎng)

2.1 推挽升壓電路

圖3為推挽升壓電路的測(cè)試波形，圖3(a)為開(kāi)關(guān)管的觸發(fā)脈沖波形，與預(yù)先設(shè)置的頻率30 kHz相吻合；圖3(b)為觸發(fā)脈沖的死區(qū)時(shí)間；圖3(c)為高頻變壓器輸出的脈沖電壓波形，無(wú)明顯偏磁現(xiàn)象，說(shuō)明高頻變壓器的繞制合理；圖3(d)為整流濾波后的直流母線電壓波形。

2.2 全橋逆變電路

圖4為全橋逆變電路的測(cè)試波形，圖4(a)為單片機(jī)產(chǎn)生的SPWM觸發(fā)脈沖，觸發(fā)脈沖占空比從1～0呈正弦變化，后經(jīng)死區(qū)電路、驅(qū)動(dòng)電路對(duì)單相全橋逆變電路進(jìn)行觸發(fā)控制；圖4(b)為左側(cè)橋臂開(kāi)關(guān)管的觸發(fā)波形，伴有細(xì)小毛刺，說(shuō)明系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)的正確性；圖4(c)為觸發(fā)脈沖的死區(qū)時(shí)間(任取1個(gè)周期)；圖4(d)為單相全橋逆變電路LC濾波前的輸出電壓波形，波形頂端只帶有細(xì)小毛刺，并沒(méi)有因開(kāi)關(guān)管的高頻開(kāi)關(guān)引起過(guò)沖電壓，說(shuō)明緩沖吸收電路設(shè)計(jì)合理；圖4(e)為單相全橋逆變電路LC濾波后的輸出電壓波形，無(wú)論是在波形頂端還是在過(guò)零換相處，都過(guò)渡地很順利，說(shuō)明系統(tǒng)的觸發(fā)控制策略正確，LC濾波器的參數(shù)設(shè)置合理。

2.3 系統(tǒng)性能分析

在現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件下，對(duì)該車(chē)載逆變電源的效率進(jìn)行了測(cè)試，因輸入端開(kāi)關(guān)電源的輸入功率有限，其最大輸入電流不能超過(guò)2 A，且輸入端的電壓只能限制在12 V，即最大輸入功率不會(huì)超過(guò)24 W。在輸出端接純阻性負(fù)載的條件下，對(duì)該車(chē)載逆變電源的效率進(jìn)行了測(cè)試分析。其具體的輸入輸出數(shù)據(jù)關(guān)系如表1所示，效率曲線如圖5所示。由于連接線過(guò)長(zhǎng)及電磁干擾等問(wèn)題，從效率曲線可以看出，該逆變電源的效率約為82%。

(a)開(kāi)關(guān)管的觸發(fā)脈沖波形

(b)觸發(fā)脈沖的死區(qū)時(shí)間

(c)變壓器輸出的脈沖電壓

(d)直流母線電壓圖3 推挽升壓電路測(cè)試波形

對(duì)車(chē)載逆變電源的輸出電壓進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)，做幅頻特性分析。如圖6所示，從幅頻特性曲線可以看出，在特別小的一個(gè)頻率點(diǎn)有一個(gè)幅值約為50 dB的高脈沖，即50 Hz標(biāo)準(zhǔn)正弦波的基波幅值，其他高次諧波的幅值特別小，均小于0 dB，即輸出電壓的高次諧波含量特別低，該逆變電源的輸出電壓指標(biāo)已達(dá)到系統(tǒng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

(a)單片機(jī)產(chǎn)生的觸發(fā)波形

(b)左側(cè)橋臂的觸發(fā)波形

(c)觸發(fā)脈沖的死區(qū)時(shí)間

(d)濾波前的輸出電壓波形

(e)濾波后的輸出電壓波形圖4 全橋逆變電路測(cè)試波形

表1 輸入電壓12 V時(shí)樣機(jī)效率測(cè)試數(shù)據(jù)

圖5 效率曲線圖

圖6 幅頻特性曲線

3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容拓展與實(shí)施

本車(chē)載逆變電源系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低及實(shí)用、靈活等優(yōu)點(diǎn)，較好地解決了學(xué)院有限經(jīng)費(fèi)條件下的實(shí)驗(yàn)裝置問(wèn)題。在時(shí)間安排上，可以采用集中、分散兩種方式進(jìn)行，即直接在本科三年級(jí)第一學(xué)期電力電子課程結(jié)束之后的2周的時(shí)間內(nèi)集中完成或者在不影響常規(guī)課堂教學(xué)的前提下在6～8周的時(shí)間內(nèi)主要利用開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室在課余時(shí)間分散進(jìn)行。

結(jié)合電氣自動(dòng)化專業(yè)本科生培養(yǎng)目標(biāo)還可以進(jìn)一步拓展試驗(yàn)內(nèi)容，在該逆變電源系統(tǒng)的基礎(chǔ)上引入單相交流電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制綜合訓(xùn)練任務(wù)，如圖7所示。單相異步電動(dòng)機(jī)是利用單相交流電源供電，其轉(zhuǎn)速隨負(fù)載變化略有變化的一種小容量交流電機(jī)。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、維修方便的特點(diǎn)，在工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、辦公場(chǎng)所、家用電器等方面得到廣泛的應(yīng)用，如吊扇、洗衣機(jī)、電冰箱、電鉆、小型機(jī)床等。通過(guò)該試驗(yàn)環(huán)節(jié)，把“電力電子技術(shù)”、“自動(dòng)控制原理”以及“電機(jī)拖動(dòng)”等課程整合為一個(gè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械、電子、電氣等多學(xué)科有機(jī)融合，從而在拓寬專業(yè)知識(shí)面的同時(shí)，有效地提高學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)和就業(yè)適應(yīng)能力。

圖7 運(yùn)動(dòng)控制綜合訓(xùn)練系統(tǒng)組成

如表2所示，該訓(xùn)練內(nèi)容主要包括理論分析、器件選型、PCB電路圖制作、系統(tǒng)樣機(jī)調(diào)試等。系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分。硬件設(shè)計(jì)包括功率回路、控制回路的設(shè)計(jì)，具體包括升壓、逆變電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇和主控芯片的確定，輸出電流、電壓檢測(cè)電路，電池欠過(guò)壓、過(guò)流、橋臂短路、緩沖吸收電路等保護(hù)電路的設(shè)計(jì)，幾乎涵蓋了電力電子課程群的所有教學(xué)內(nèi)容。SPWM觸發(fā)脈沖的產(chǎn)生、運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)視及檢測(cè)保護(hù)動(dòng)作的完成均由軟件設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。另外，在分配過(guò)程中突出個(gè)性化整合模式，即學(xué)生可以根據(jù)自身的興趣特長(zhǎng)和未來(lái)發(fā)展方向選擇相關(guān)子系統(tǒng)，這樣不僅能調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性更能提高學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力。

表1 綜合訓(xùn)練任務(wù)分配

4 結(jié) 語(yǔ)

實(shí)踐教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的重要手段，是提高學(xué)生綜合素質(zhì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。良好的方法可以收到事半功倍的效果。本系統(tǒng)充分考慮了實(shí)驗(yàn)裝置的透明度、實(shí)驗(yàn)操作的靈活性以及實(shí)驗(yàn)功能的拓展性，較好地避免了傳統(tǒng)掛件箱式實(shí)驗(yàn)臺(tái)只能提供驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和簡(jiǎn)單插拔操作的缺陷，同時(shí)，又具有更高的性價(jià)比，為電氣自動(dòng)化專業(yè)創(chuàng)新人才的培養(yǎng)提供了有效的解決方案。

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A Design of Automotive Inverter Power Based on Low Cost Solution for Laboratory Experiments

BAOGuang-qing,RENShi-kang,WANGXiao-lan,YANGXin-hua

(School of Electric Engineering and Information Engineering,Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China)

Project-based experimental teaching plays an important role in cultivating the abilities of practical and creative ability for science students. The task before us is how to setup effective experimental facilities and arrange rational integrated trainings. In the field of electrical engineering education, a project of automotive inverter power supply designed for undergraduate power electronics and drives group course is presented. Two-stage converter with push-pull booster and full-bridge inverter is included in the main circuit topology, it contributes to the reduction of hardware size and noise pollution. Based on this project, the power system can be expanded to the integrated training task of single-phase AC motor control. The basic concept and hands-on experience of the electrical drive can be gained by students, and hence, their independent innovation and practical skills are also improved.

power electronics; motion control; inverter; experimental teaching

2014-07-25

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51267011);甘肅省杰出青年基金資助項(xiàng)目(1111RJDA007)；蘭州理工大學(xué)教學(xué)改革項(xiàng)目

包廣清(1972-)，女，甘肅蘭州人，教授，主要研究方向?yàn)榭稍偕茉窗l(fā)電與電能轉(zhuǎn)換、現(xiàn)代電力傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

Tel.：0931-2976079；E-mail：baogq03@163.com

TM 464

A

1006-7167(2015)05-0055-04